近日，肖艳红教授课题组首次在实验上实现了原子内态自旋和集体自旋的协同压缩，文章以“Cooperative Squeezing of Internal and Collective Spins in an Atomic Ensemble”为题，于11月20日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

原子具有光谱线宽窄、与外界电磁场相互作用强的特点，是进行精密测量的重要物理体系。原子的自旋压缩态是一种多体纠缠态，其在特定方向上的量子涨落小于自旋相干态，使超越标准量子极限的精密测量成为可能，因此在量子传感、量子信息科学领域有广泛的应用，例如原子钟、原子干涉仪、原子磁力计以及连续变量信息处理等。制备具有高压缩度的自旋压缩态一直是人们感兴趣的课题。实现自旋压缩的途径有两种，均已分别在实验上被实现：一是建立原子系综内不同原子之间的纠缠，即通过诸如量子非破坏测量或者哈密顿量演化等方法实现集体自旋压缩；二是对于多能级（超过两个）原子，可通过控制其单原子的内态自旋态，实现原子内态自旋压缩。前人的理论研究表明，恰当地联合控制内态和集体态能够增强原子系综总体的自旋压缩度，但实验研究目前仍是空白。

本文中，肖艳红课题组报道了首个实现原子内态和集体态的自旋联合协同压缩的实验。通过调控与原子相互作用的脉冲光场，在同一个原子系综内先后进行了原子内态的单轴扭曲相互作用和对集体态的量子非破坏性测量，并精细操控二者之间的相对相位，最终获得原子内态和集体态自旋的协同压缩，产生的总压缩度优于仅有一个压缩过程单独作用时的自旋压缩度，观察到 -3.57±0.67dB的自旋压缩。在加入回溯量子非破坏测量后，总压缩度进一步提高到了-6.21±0.84dB，这是迄今为止在热原子系综体系实现的最高压缩度。此外，本研究表明，具有更大的自旋量子噪声涨落（如，自旋反压缩）的原子初态有助于在量子非破坏测量反馈过程中实现更明显的量子噪声抑制。本研究中所发展的量子态操控技术在其它量子平台，例如冷原子、里德堡原子、离子阱体系中也有着广阔的应用前景。

本工作与丹麦哥本哈根大学Klaus Mølmer教授合作，由复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室肖艳红课题组主导完成，肖艳红教授和温州大学王明锋副教授、浙江工业大学张桂迎副教授为共同通讯作者，第一作者是我系博士生张有为。该项目获得了“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项、上海市科学技术委员会项目、国家自然科学基金、山西省“1331工程”专项基金、浙江省自然科学基金，以及丹麦国家研究基金会的支持。

文章链接为：https://doi.org/10.1103/xkt1-y58b。

图1：原子内态自旋和集体自旋协同压缩原理示意图